1.14. Что такое красное смещение галактик?

То, что спектральные линии удаленных галактик всегда кажутся смещенными к красному, обнаружили Мильтон Хьюмейсон и Эдвин Хаббл в первой половине 1920-х годов. Наблюдения, которые затем в 1928 году осуществил Хаббл, были использованы им при формулировании носящего его имя закона, отражающего зависимость скорости удаления галактики от расстояния до нее. Указанное красное смещение интерпретируется как эффект Доплера, вызванный расширением Вселенной, и у этой гипотезы больше всего сторонников. Тем не менее небольшая группа ученых во главе с Хелтоном Арпом считает, что причина этого явления пока еще не вполне ясна. Их доводы основаны на результатах наблюдения некоторых удаленных двойных объектов, кажущихся связанными, но имеющих достаточно разное красное смещение. В природе существует и другой тип красного смещения – так называемое гравитационное красное смещение, которое предвидел Альберт Эйнштейн в общей теории относительности. Гравитационное красное смещение проявляется, как и обычное, в смещении спектра света к красной части. Но возникает оно по другой причине: когда свет попадает в очень сильное гравитационное поле, он теряет энергию, что приводит к уменьшению частоты световых волн и изменению цвета – покраснению.

1.15. В чем сущность закона всемирного тяготения?

Открытый Исааком Ньютоном в XVII веке закон всемирного тяготения является одним из универсальных законов природы. Согласно этому закону, все материальные тела притягивают друг друга, причем величина силы тяготения не зависит от физических и химических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела. На Земле тяготение проявляется прежде всего в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землей. Формулируется закон всемирного тяготения следующим образом: каждые две материальные частицы притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; сила направлена вдоль прямой, соединяющей эти частицы. Коэффициент пропорциональности в указанном соотношении называют универсальной гравитационной постоянной. Под «частицами» подразумеваются тела, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями между ними, то есть материальные точки. С открытием закона всемирного тяготения эмпирически открытые Кеплером законы движения планет, дотоле не имевшие объяснения, свелись к действию на планеты одной-единственной силы, направленной к Солнцу. Действие этого же закона обусловливает движение всех остальных тел Солнечной системы (спутников планет, астероидов, комет, метеоритов), а также взаимное движение любой другой пары объектов во Вселенной (звезд, галактик, скоплений галактик).

1.16. Что представляют собой космические лучи?

Космические лучи – это поток стабильных частиц высоких энергий (от одного до триллиона гига-электрон-вольт, что приблизительно в тысячу раз выше энергии частиц, вырабатываемых ускорителями), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение, в состав которого входят все известные элементарные частицы. Первичное космическое излучение изотропно в пространстве и неизменно во времени; в его состав входят протоны (около 90 процентов), альфа-частицы (около 7 процентов) и другие атомные ядра вплоть до самых тяжелых, а также небольшое количество электронов, позитронов и гамма-квантов. До сих пор источники космического излучения являются неразгаданной тайной. В частности, все еще неясно, имеют ли они исключительно галактическое или также и внегалактическое происхождение. И почему Вселенная пронизана потоками этих частиц. Поскольку основную часть космического излучения составляют заряженные частицы, чувствительные к действию магнитного поля Галактики, а также магнитных полей близких небесных тел, то космические лучи постоянно отклоняются, из-за чего абсолютно невозможно определить направление, откуда они пришли. Принято, однако, считать, что подавляющая часть первичных космических лучей приходит на Землю из Галактики и лишь небольшая их часть связана с активностью Солнца. Космические лучи с энергией выше 108 ГэВ, возможно, приходят из Метагалактики. Наиболее вероятные источники галактических космических лучей – вспышки сверхновых звезд и образующиеся при этом пульсары. Заряженные частицы ускоряются, по-видимому, электромагнитными полями, возникающими в пульсарах или в окружающих их турбулентных плазменных оболочках. Сильные магнитные поля закручивают релятивистские электроны, что вызывает интенсивное синхротронное излучение из областей, где рождаются космические лучи. Ускоренные заряженные частицы рассеиваются межзвездными магнитными полями и достигают Земли в среднем через 20—100 миллионов лет в виде изотропного излучения. Космические лучи – уникальный естественный источник частиц сверхвысоких энергий, позволяющий изучать процессы взаимодействия элементарных частиц и их структуру. Многие элементарные частицы были открыты при исследовании космических лучей. Наряду с этим космические лучи дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы, происходящие в глубинах Вселенной. За открытие космических лучей (в 1912 году) австрийский физик В. Ф. Гесс в 1936 году был удостоен Нобелевской премии.

1.17. Как велик возраст Вселенной и на основе каких данных он определен?

В 2003 году с помощью запущенного NASA (Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства) космического зонда, оснащенного специальной аппаратурой, были проведены измерения температуры фонового микроволнового (реликтового) излучения с точностью до миллионной доли градуса. Результаты этих измерений позволили установить, что возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет и что формирование первого поколения звезд началось спустя 200 миллионов лет после Большого взрыва.

1.18. Что такое темная материя и как много ее во Вселенной?

Астрономы способны непосредственно наблюдать только объекты, испускающие электромагнитное излучение, в том числе свет (одно из немногих исключений – нейтрино). Однако значительная часть космического вещества может и сама не излучать света и не освещаться близкой звездой, оставаться совершенно непрозрачной и не отражать никакого излучения (как, например, это происходит с углем). Или, наоборот, быть столь прозрачной, что ее невозможно заметить и при освещении (например, если она состоит из ряда кристаллов, газа или элементарных частиц). В астрономии, а еще чаще в космологии такую материю называют темной. Тем не менее в темной материи происходят некие процессы, поскольку различные формы материи и энергии проявляются во взаимосвязи. Кроме того, масса и гравитационное поле темной материи влияют на движение наблюдаемых небесных объектов – звезд, галактик и их скоплений. Наблюдения сверхновых в далеких галактиках привели астрономов к выводу об ускоренном характере расширения Вселенной, что свидетельствует о наличии в ней также скрытой (темной) энергии. Согласно современным представлениям, видимая (наблюдаемая) материя составляет всего около 4 процентов общей массы Вселенной, а остальная ее масса проявляется в форме темной материи (около 23 процентов) и темной энергии (около 73 процентов).

1.19. Какова структура Вселенной?

Изучение скоплений и сверхскоплений галактик позволяет создать модель Вселенной в большом масштабе, то есть определить, как распределяется материя внутри очень большого пространства. В этом смысле самый значительный результат, полученный космологией за последние 50 лет, заключается в том, что Вселенная, похоже, состоит из больших полых пузырей, пересекающихся друг с другом, в результате чего они напоминают губку. В таком контексте скопления и сверхскопления галактик распределяются по стенкам пузырей, образуя волокнистые структуры длиной в десятки миллионов световых лет. Эти пузыри представляют собой полости, содержащие темную материю. Изучение динамики движения галактик (их взаимного удаления, вызванного расширением Вселенной) показало, что в направлении созвездия Стрельца, видимо, существует огромная концентрация материи, так называемая великая точка притяжения, которая своей гравитацией притягивает даже Местное сверхскопление галактик.

1.20. Что представляют собой вспышки гамма-излучения в космосе и как велика их энергия?

Космические вспышки гамма-излучения – это бурные взрывы, ежедневно происходящие в небе. Они в течение нескольких секунд высвобождают огромное количество электромагнитного излучения высокой энергии – гамма-лучей. Вспышки эти происходят совершенно неупорядоченно, предсказать время и место очередной вспышки гамма-излучения невозможно. Наиболее вероятными из возможных источников вспышек гамма-излучения считают либо взрывы очень крупных звезд (так называемых сверхновых), либо слияние двух нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды. Равномерность распределения источников вспышек гамма-излучения по небесной поверхности приводит к выводу, что они находятся в галактиках, расположенных на космологических расстояниях, то есть на расстояниях в несколько миллиардов световых лет (если бы вспышки порождались звездами Млечного Пути, они чаще проявлялись бы на галактическом диске, где звезды сконцентрированы интенсивнее). Если вспышки гамма-излучения действительно происходят на таких расстояниях, то энергия, испускаемая источником вспышки за время от нескольких секунд до пары минут, сравнима с энергией, излучаемой 100 звездами вроде Солнца в течение 10 миллиардов лет.

1.21. В чем состоит значение нейтрино с точки зрения астрофизики?

Нейтрино – это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. В 1931 году швейцарский физик Вольфганг Паули высказал предположение об их существовании, а экспериментально оно было доказано в 1956 году. Долгое время считалось, что нейтрино имеют нулевую массу покоя, однако результаты последних исследований показали, что масса нейтрино, видимо, отлична от нуля, хотя и очень мала (меньше 1/ 25 000массы электрона). С точки зрения астрофизики нейтрино имеют огромное значение. Они во множестве возникают во время ядерных реакций, идущих в звездах, а потому представляют собой уникальный сверхбыстрый вид «транспорта», способный донести к Земле прямую информацию из ядра Солнца. Нейтрино всегда образуются и во время взрыва сверхновой. В космологии считается, что из нейтрино (если их масса не равна нулю) могут состоять целые участки темной материи. С Земли можно обнаружить только те нейтрино, которые образованы в Солнце. Единственный случай обнаружения другого источника нейтрино имел место во время взрыва сверхновой 1987А в Большом Магеллановом Облаке.